Derivaçao da Equação de Análise a partir da Função Custo Variacional Tridimensional

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Abaixo apresento uma derivação da equação de análise utilizada em assimilação de dados para a determinação da condição inicial dos modelos de previsão numérica de tempo. Esta equação é obtida a partir da função custo variacional tridimensional (3DVar), sem considerar a dimensão temporal das observações. Logo, todos os elementos do vetor observação \(\mathbf{y^{o}}\) são considerados em um mesmo \(t=t_{0}\), enquanto que o background \(\mathbf{x_{b}}\) é considerado no tempo \(t=t_{0}-1\) e a análise \(\mathbf{x_{a}}\) é obtida para o mesmo tempo das observações (\(t=t_{0}\)).

Apesar de parecer um tanto quanto enfadonho (principalmente porque este é um passo a passo), acho interessante apresentar as idéias relacionadas à derivação porque não se tem textos semelhantes em português. Para um texto científico, a maioria das passagens abaixo seriam descartadas, reduzindo esta derivação a poucas equações. De antemão, acrescento que sugestões e correções são bem vindas, visto que algumas imprecisões podem existir.

Seja (1) a função custo variacional tridimensional:

\[ J(\mathbf{x}) = \frac{1}{2}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{B}^{-1}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + \frac{1}{2}(\mathbf{y^o} - \textit{H}(\mathbf{x}))^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^o} - \textit{H}(\mathbf{x})) \]

(1)

Onde:

  • \(\mathbf{x}\) é o vetor de estado a ser analisado de dimensão \(\textit{p}\)
  • \(\mathbf{x_{b}}\) é o vetor de estado do background de dimensão \(\textit{p}\)
  • \(\mathbf{B}\) é a matriz de covariâncias dos erros de background de dimensão \(\textit{p}\times\textit{p}\)
  • \(\mathbf{y^{o}}\) é o vetor observação de dimensão \(\textit{n}\)
  • \(\mathbf{R}\) é a matriz de covariâncias dos erros de observação de dimensão \(\textit{n}\times\textit{n}\)
  • \(\textit{H}\) é o operador observação não linear

Oservação: Em geral \(\textit{H}\) é um modelo linearizado (portanto sob a forma \(\mathbf{H}\)) que mapeia os valores do background para os pontos em que estão as observações.

Na Eq. (1), o termo \((\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})\) representa o vetor incremento de análise e o termo \((\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x}))\) representa o vetor inovação.

Para derivar a equação de análise a partir de (1), consideramos (por simplicidade) apenas uma observação e que o vetor incremento de análise é pequeno o suficiente para que possamos linearizar o operador observação:

\[ \mathbf{x} = \mathbf{x_{b}} + (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) \]

(2)

Ou seja, em (2) expressamos que o vetor de estado a ser analisado (a análise) é igual ao vetor de estado do background somado ao incremento de análise. Substituindo \(\mathbf{x}\) da Eq. (2) na relação do vetor inovação:

\[ \mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x}) = \mathbf{y^{o}} - \textit{H}[\mathbf{x_{b}} + (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})] \]

(3)

\[ \mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x}) = \mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \textit{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) \]

(4)

Na Eq. (4) o operador observação não linear \(\textit{H}\) é aplicado sobre o incremento de análise \((\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})\), o qual é muito pequeno. Sendo assim, considera-se que o operador observação a ser aplicado sobre o incremento de análise pode ser linearizado. Isto significa que pequenas variações do vetor incremento de análise fazem com que \(\textit{H}\) varie muito pouco. Portanto, a Eq. (4) pode ser reescrita como:

\[ \mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x}) = \mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) \]

(5)

Onde:

  • \(\mathbf{H}\) é a versão linearizada do operador observação não linear (\(\textit{H}\)).

Substituindo a Eq. (5) na Eq. (1):

\[ J(\mathbf{x}) = \frac{1}{2}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{B}^{-1}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + \frac{1}{2}[\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})]^{T}\mathbf{R}^{-1}[\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})] \]

(6)

Fatorando e desenvolvendo a Eq. (6):

\[ J(\mathbf{x}) = \frac{1}{2}\lbrace(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{B}^{-1}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + [\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})]^{T}\mathbf{R}^{-1}[\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})]\rbrace \]

(7)

\[ 2J(\mathbf{x}) = (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{B}^{-1}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + [\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})]^{T}\mathbf{R}^{-1}[\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})] \]

(8)

\[ 2J(\mathbf{x}) = (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{B}^{-1}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + [(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T} - (\mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}))^{T}]\mathbf{R}^{-1}[\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})] \]

(9)

\[ 2J(\mathbf{x}) = (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{B}^{-1}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + [(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T} - \mathbf{H}^{T}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}]\mathbf{R}^{-1}[\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})] \]

(10)

\[ 2J(\mathbf{x}) = (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{B}^{-1}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + [(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1} - \mathbf{H}^{T}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{R}^{-1}][\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})] \]

(11)

\[ 2J(\mathbf{x}) = (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{B}^{-1}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + (\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) - (\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) - \mathbf{H}^{T}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) + \mathbf{H}^{T}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) \]

(12)

Reorganizando a Eq. (12) - aqui serão fatorados os termos 1 e 5 do lado direito:

\[ 2J(\mathbf{x}) = (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{B}^{-1}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) - (\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) - (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) + (\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) \]

(13)

Combinando os dois primeiros termos do lado direito de (13), obtemos:

\[ 2J(\mathbf{x}) = (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}[\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}](\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) - (\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) - (\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) + (\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) \]

(14)

A forma da Eq. (14) é a forma em que será aplicado o operador gradiente. O gradiente é aplicado na função custo variacional para se determinar o vetor de estado de análise \(\mathbf{x_{a}}\) tal que \(\nabla_{x}{J(\mathbf{x})} = 0\). Ou seja, o mínimo de \(J(\mathbf{x})\) fornece os valores do vetor de estado analisado.

Teorema (1): Dada a função quadrática \(F(\mathbf{x}) = \frac{1}{2}\mathbf{x}^{T}\mathbf{A}\mathbf{x} + \mathbf{d} + c\), onde \(\mathbf{A}\) é uma matriz simétrica (ou seja, é igual à sua transposta), \(\mathbf{x}\) e \(\mathbf{d}\) são vetores e \(c\) é um escalar, o gradiente de \(F(\mathbf{x})\) é dado por \(\nabla_{x}{F(\mathbf{x})} = \mathbf{A}\mathbf{x} + \mathbf{d}\).

Demonstração (1):

\(F(\mathbf{x}) = \frac{1}{2}\mathbf{x}^{T}\mathbf{A}\mathbf{x} + \mathbf{d} + c \\ \frac{\partial F}{\partial x} = \frac{1}{2}(\mathbf{A}\mathbf{x} + \mathbf{A}^{T}\mathbf{x}) + \mathbf{d}\) (15)

Se \(\mathbf{A}\) é simétrica, então \(\mathbf{A}^{T} = \mathbf{A}\), logo:

\(\frac{\partial F}{\partial x} = \frac{1}{2}(\mathbf{A}\mathbf{x} + \mathbf{A}\mathbf{x}) + \mathbf{d} \\ \frac{\partial F}{\partial x} = \frac{1}{2}(2\mathbf{A}\mathbf{x}) + \mathbf{d} \\ \frac{\partial F}{\partial x} = \mathbf{A}\mathbf{x} + \mathbf{d}\) (16)

Aplicando o operador gradiente na Eq. (14), obtem-se:

\[ \nabla_{x}{2J(\mathbf{x})} = \frac{\partial \lbrace(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}[\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}](\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})\rbrace}{\partial x} - \frac{\partial \lbrace(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})\rbrace}{\partial x} - \frac{\partial \lbrace(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))\rbrace}{\partial x} + \frac{\partial \lbrace(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))\rbrace}{\partial x} \]

(17)

Na Eq. (17) observamos que o termo 4 do lado direito não depende do vetor de estado analisado \(\mathbf{x}\) e que portanto \(\frac{\partial \lbrace(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))\rbrace}{\partial x} = 0\), logo:

\[ 2\nabla_{x}{J(\mathbf{x})} = \frac{\partial \lbrace(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}[\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}](\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})\rbrace}{\partial x} - \frac{\partial \lbrace(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})\rbrace}{\partial x} - \frac{\partial \lbrace(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})^{T}\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))\rbrace}{\partial x} \]

(18)

Utilizando o Teorema (1), obtem-se:

\[ 2\nabla_{x}{J(\mathbf{x})} = [(\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})^{T}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) + (\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})] - \frac{\partial \lbrace(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})\rbrace}{\partial x} - [(\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1})^{T}(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) + (\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1})(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))] \]

(19)

O segundo termo da Eq. (19) resulta em zero, pois a derivada da constante \((\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H}\) é zero.

Utilizando-se do fato de que as relações entre as matrizes nos termos 1-3 do lado direito da Eq. (18) geram matrizes simétricas (e.g., \((\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})^{T}= (\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})\)), a Eq. (19) reduz-se a:

\[ 2\nabla_{x}{J(\mathbf{x})} = 2[(\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}})] - 2[(\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1})(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))] \]

(20)

e,

\[ \nabla_{x}{J(\mathbf{x})} = (\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})(\mathbf{x} - \mathbf{x_{b}}) - (\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1})(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) \]

(21)

No inicio foi feita consideração de que o vetor de estados analisado \(\mathbf{x}\) é a própria análise quando \(\nabla_{x}{J(\mathbf{x})} = 0\), logo iguala-se a Eq. (21) a zero, de forma que \(\mathbf{x} = \mathbf{x_{a}}\):

\[ 0 = (\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})(\mathbf{x_{a}} - \mathbf{x_{b}}) - (\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1})(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) \]

(22)

Reorganizando a Eq. (22):

\((\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})(\mathbf{x_{a}} - \mathbf{x_{b}}) - (\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1})(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) = 0 \\ (\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})(\mathbf{x_{a}} - \mathbf{x_{b}}) = (\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1})(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}})) \\ (\mathbf{x_{a}} - \mathbf{x_{b}}) = (\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})^{-1}[(\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1})(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))]\) (23)

A partir da Eq. (23), obtemos a Equação de Análise:

\[ \mathbf{x_{a}} = \mathbf{x_{b}} + (\mathbf{B}^{-1} + \mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1}\mathbf{H})^{-1}[(\mathbf{H}^{T}\mathbf{R}^{-1})(\mathbf{y^{o}} - \textit{H}(\mathbf{x_{b}}))] \]

(24)

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